南淝河生態補水方案研究

譚茜

關鍵詞：生態補水；方案；線路；水量；水動力

中圖分類號：X171 文獻標志碼：A

1研究背景

南淝河全長70 km，流域面積1464 km²，為巢湖一級支流。流域自身產水面積小，屬資源性嚴重缺水地區。為保障城市生活供水和農業灌溉，在上游興建董鋪、大房郢2座大型水庫及眾興、蔡塘、張橋、大官塘4座中型水庫攔蓄徑流，非降雨期間天然徑流補給量少，河道水量大部分來自污水處理廠尾水及城鎮地表徑流，河流生態系統嚴重退化。近年來，許多學者從不同的角度對南淝河水生態環境進行了研究。吳睿，賴錫軍，王海燕等利用MIKE11等模型開展水環境數值模擬，通過計算水環境容量、模擬河湖水質，提出污染物時空變化特征，從而指導污染防治措施。

水位、水流、水量是維護水生態環境的控制要素，也是調節水環境容量的重要途徑。在繼續提升污水處理效果的同時，利用滁河干渠輸水通道和駟馬山江水西引等工程，在開展了生態補水現場試驗的基礎上，通過MIKE11河流水動力模型，研究以南淝河生態基流改善為重點的補水方案是十分必要的。

2數據與方法

南淝河古稱施水，為巢湖一級支流，發源于長豐、肥西兩縣毗鄰地帶大潛山余脈長崗南麓，東南流向，于施口注入巢湖，全長70 km，流域面積1464km²。南淝河主要一級支流有8條，左岸有四里河、板橋河、史家河、二十埠河（龍塘河）、店埠河、長樂河，右岸有二里河、關鎮河。（見圖1）

2.1生態基流計算

南淝河流域無完整的實測流量資料，計算南淝河流域天然徑流量主要根據最新的董鋪水庫歷年逐月徑流量計算成果，結合區歷年域降雨量和流域面積展延計算。按照《水工程規劃設計生態指標與應用指導意見》（水利部水規總院2010.4）中的意見，南淝河處中國南北分界線以南區域，流量較小，當屬直通湖泊的城市河流，因此計算采用非汛期按多年平均天然徑流量的20%、汛期按多年平均天然徑流量的40%計算作為其推薦的河流生態基流?；旧鷳B環境需水量取天然徑流量的25%，目標生態環境需水量取天然徑流量的60%。計算得南淝河多年平均天然徑流量為48566萬m³，生態基流為16850萬m³／年；其中非汛期2576萬m³／年，汛期14274萬m³／年?；旧鷳B環境需水量12141萬m³／年；目標生態環境需水量29140萬m³／年。逐年入湖天然徑流量見表1。

2.2水動力模型數據來源和計算方法

基于補水試驗觀測成果和河道地形資料等，結合天然徑流和人河污染量，選擇MIKE模擬軟件，研制、率定和驗證南淝河生態補水的水動力模型。MIKE 11是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組：

式（1）、式（2）中，日為斷面水位，Q為流量，u為平均流速，g為重力加速度，B為不同高程下的過水寬度，q_L為旁側入流流量，R為水力半徑，C為謝才（Chezy）系數，x、t為位置和時間坐標。

2.2.1模型構建

研究范圍上游自滁河干渠的板橋河、二十埠河、店埠河分水口起，下游至巢湖，途徑板橋河、二十埠河、店埠河三條線路至南淝河干流，如圖2所示。其中板橋河共計23.5km、二十埠河30.8km、店埠河42.1km、南淝河41.07km。

以現狀南淝河無引水條件為基礎工況，研究對比南淝河生態補水試驗不同補水方案（線路及水量）對水動力改善效果。模型的外部邊界條件有5個，分別為南淝河上游端的入流、南淝河下游端的巢湖水位、板橋河上游入流、二十埠河上游入流以及店埠河上游入流。內部邊界主要包括排污口調查統計得到的沿岸主要排口入流、沿岸主要污水處理廠尾水排放口入流及補水點人流等。

計算采用南淝河、店埠河等實測河道斷面資料，建立斷面文件，斷面文件主要為每個斷面起始距與河床高程的X-Z數據（橫向距離一高程），依據斷面資料計算斷面的水力學參數，為水力計算提供依據。

2.2.2模型率定驗證

研究利用2019年10月16日，2020年11月10日實施的2次生態補水現場試驗觀測資料，對構建的模型進行率定、驗證。水動力模型的率定參數為糙率，經率定分析，各河段糙率值為：板橋河0.032，二十埠河0.035，店埠河0.031，南淝河上段0.027，中段0.032，下段0.03。

2.2.2.1水位驗證

模型區域內各個站的水位計算值和模擬值比較結果均較為理想，水位在10.35 m～12. 85 m之間，模擬期間水位較為穩定。

2.2.2.2流量驗證

對調水前和調水期間的流量分別率定，其中調水前主要核實枯季流量。調水前河道內僅有污水廠尾水和城市排污口流量，最大流量為13.5 m³/s（繁華大道），其次為6.2m³/s（當涂路橋），其余流量皆小于1m³/s。從模擬與實測對比看，由于總流量不大，個別點位計算結果絕對誤差偏大，但模型計算結果總體合理。造成偏差的原因主要是，城市河流量較小，較小的隨機擾動就能造成流量的波動，比如污水廠排放的日內不均勻性、排污口隨機排放等。

2.2.2.3模型驗證

基于生態補水觀測數據進行水動力模型的驗證工作，模型主要設置：（1）上游來水實測流量；（2）驗證點當涂路橋、繁華大道橋實測流量。

模擬流量與實測流量的對比如圖3所示。除個別點有跳動誤差外，整體流量趨勢一致，模型能夠較好復演南淝河的水動力特征。

3補水方案

3.1構建原則

生態補水方案構建應當遵循以下原則：

（1）促進水體流動性。方案應考慮不同方案線路、水量、頻次對河道流態變化、交換水量及交換過程的影響。

（2）考慮制約條件。方案構建受到排污口、水質、河道斷面、防洪、航運、社會經濟條件等多方面因素的影響。必須同時考慮各種限制因素，使生態補水方案切實可行。

（3）風險綜合控制。水源區.補水線路、受水區的生態環境、水資源均會受到一定影響，因此必須在構建方案的同時進行風險評估與預測，對方案可能發生的風險進行綜合控制。

3.2補水水量

南淝河河道內生態補水水源主要為淠史杭灌區棄水和駟馬山江水西調工程水源，遠期增加引江濟淮水源。合肥市從淠河總干渠多年平均引水量為6.20億m³，其中扣除供城市、農業種植等水量，約有0.75億m³水量可用于河湖生態環境補水。駟馬山灌區江水西調工程以長江為水源，經滁河現有的烏江站、一級站、二級站、三級站，以15 m³/s規模接入滁河干渠。結合泵站及河渠引水能力，規劃工況補水規模為650～1300萬m³，補水歷時約510天，日均補水量65～130萬m³/d，補水流量10～15m³/s。

3.3補水線路

滁河干渠與南淝河水系有多處連通，為不干擾董鋪、大房郢城市優質水源，可供選擇的補水線路有三條：（1）從板橋河注入再進入南淝河干流；（2）從二十埠河注入再進入南淝河干流；（3）從店埠河注入再進入南淝河干流。

3.4方案組合

根據前述方案構建原則，將補水線路方案（三條線路）的不同水量方案進行組合，形成規劃工況下17個不同的生態補水方案。

預計在“十四五”末期，經完善后，口門過流條件與下游渠道相匹配，且均能滿足15m³/s的過流需求，可分別引長江來水和淠史杭灌區來水。由于小流量條件下補水效果難以體現，方案以5m³/s為基礎進行組合。另外，根據實際情況和渠道安全等因素，江水和淠水同時到達補水口門進行補水的可能性幾乎不存在。其中江水補水線路為倒比降且沿程路徑較長，損失較大，規劃江水水源工況僅考慮最大流量10m³/s，到達最遠端板橋河口門處流量還要適當減小。（見表2）

4模型模擬結果

三條引水路線引水長度、坡降不同，本節基于模型計算結果，統計不同方案下生態補水到達施口斷面的水力傳播時間。根據模擬結果，補水進入巢湖時間最短的為規劃方案2，從二十埠河補水，補水流量為15 m³/s，進入巢湖時間為4.08天；其次為規劃方案3，從店埠河補水，補水流量為15m³/s，進入巢湖時間為4.33天；規劃方案7、12補水進入巢湖的時間相同，均為5.22天；規劃方案1，從板橋河補水15m³/S進入巢湖的時間為5.42天。（見表3）

5結束語

南淝河生態補水方案研究可為主管部門在河湖生態水量保障等管理工作中，提供補水時機、補水水量、補水線路等決策依據。南淝河生態補水規模與天然降雨條件、沿河截污工程等密切相關，為科學確定生態補水規模，要充分考慮不同保證率的天然降雨條件和截污工程的實施程度。南淝河補水頻率為一句補水1次，每次補水4天，補水規模為15m³/s，年補水量為1.8億m³。如遇豐水期或河道生態條件明顯好轉，適當減少補水頻次及補水規模，遇枯水期或河道生態條件明顯惡化則增加補水頻次及補水量。沿線反調節水庫水量豐沛時，均可相機補充河道生態流量。生態補水應避開汛期補水以降低防洪壓力，避開干旱年份，以減小生態用水與生活用水的矛盾。未來可結合生態補水觀測數據，進一步研究補水對河道水生態改善效果。